專利名稱：一種全自動影像測量儀的制作方法
技術領域：
本發明為一種采用光學影像進行幾何測量的全自動儀器。能高效地檢測各種 形狀復雜工件的輪廓和表面形狀及尺寸、角度和位置，特別是精密工件的精確 測量與質量控制。
背景技術：
目前的影像測量儀大致可以分為手動、電動、自動三類。全自動影像測量儀 由于操作方便、測量效率高，已經廣泛應用于各個行業。
在影像測量儀的設計中，對測量精度造成直接影響的是三維運動平臺的傳動 機構。傳動機構的設計一般按絲杠(或光桿)螺母移動范圍建立一個機架的區 域，即長套殼。驅動器絲杠(或光桿)動力輸入的連接須用上聯軸器以免電機 安裝的誤差傳遞給絲杠(或光桿)，產生偏載從而降低驅動器從螺母輸出的運動 精度。同時還必須在絲杠(或光桿)尾端按有含可以軸向移動的軸承的尾端板。 以確保絲杠(或光桿)軸向長度因熱變形所造成的位移能自由變化，并且不影 響運動精度。但是如此理想的結構，因長套殼的形狀及易導致變形，工藝上很 難控制其精度。
另外，現有的影像測量儀沒有專用的電控系統，通常是根據各個子功能選取 標準板卡，然后將它們簡單組合在一起，分別完成儀器所需的各項功能，如電 機驅動卡、運動控制卡、光柵尺接口卡、照明控制卡等。由于這些板卡是通用 產品，各個方面的性能比較均衡， 一方面有些影像測量儀需要的功能并不強大， 另一方面卻具有很多測量儀根本就不需要的功能。這就必然造成現有的電控系 統結構復雜、體積臃腫、成本增高，同時也會導致可靠性低，不易維護。
影像測量儀的一個重要功能是逆向工程中的測繪功能。目前全自動影像測量 儀的測繪功能都需要大量的手工操作，效率極為低下，在自動化方面還需要有 很大的提升。
發明內容
全自動影像測量儀的結構包括XYZ三維移動工作臺[l]、顯微鏡[2]、 CCD、 照明系統[3]、電氣控制卡[4]和個人計算機[5];個人計算機[5]配備圖像采集 卡，接收由顯微鏡[2]和CCD所構成光學成像系統的圖像數據；個人計算機[5] 包括精密測量模塊，利用圖像處理技術，對獲取的圖像數據進行處理，完成對 XYZ三維移動工作臺[1]上工件的三維測量；個人計算機[5]通過向電氣控制卡發 送命令來移動XYZ三維移動工作臺[1]，使得需要測量的區域移動到顯微鏡的可 視區域內；照明系統[3]在不同工件、不同測量要求下，保證光學成像系統獲取 到高質量的圖像數據。圖l給出了本發明的整體結構示意圖。
本發明的一個目的是提供一種精度高、加工簡單的一體化傳動機構。
傳統的杠傳動機構通常包括聯軸殼、長套殼和尾端板，因長套殼的形狀極 易導致變形，工藝上很難控制其精度。為此，本發明設計了一個一體化機架[9]， 將聯軸器[7]、絲杠[8]放置其腔體內，電機體安裝在聯軸器腔體[10]外側，且 電機軸直接連接到聯軸器上。如此設計使得電機定位孔與絲杠兩端的軸承定位 孔在加工時就能保證同軸。通過二次去應力處理，可以方便解決整個機體的形 位公差要求。并且電機在傳遞動力至絲杠過程中，消除了原有因聯軸殼安裝的 間隙所致遲后效應。這一方面可以使得裝配上很容易就保證精度，同時在加工 上又很容易實現，且可靠性高。
本發明的另一個目的是提供一種結構緊湊、可靠性高的全自動影像測量儀專 用的電氣控制卡[4]。
電氣控制卡需要實現的功能包括運動控制、電機驅動、照明控制、光柵尺 讀數、操作手柄支持、與個人計算機通訊等。本發明設計了一種針對全自動影 像測量儀的專用電氣控制卡，在一塊電子板中實現了全自動影像測量儀需要的 各項功能。
本專用電氣控制卡采用DSP+FPGA架構。利用DSP的高速計算能力完成運動 控制所需的大規模運算，然后通過其內部的P麗專用模塊進行電機控制。DSP的 IO接口豐富，可以直接與USB接口芯片連接，完成與個人計算機的通訊功能。
FPGA具備高速的邏輯處理能力，又具備靈活的可編程特性。可以完成讀取光 柵尺數據、讀取操作手柄數據、照明控制等工作，以彌補DSP的不足。
本發明的另一個目的是個人計算機中的精密測量模塊提供了一種全自動輪 廓測繪子模塊。全自動影像測量儀對顯微鏡的當前可視區域獲取圖像數據，按照圖像處理算 法自動提取出其中的零件輪廓，并根據這部分輪廓的方向自動控制運動平臺沿 著輪廓方向運動，然后獲取新的圖像數據，如此反復，直到獲取了封閉的輪廓。
在獲取邊緣以后，需要根據當前圖像的邊緣數據，控制運動平臺移動到下一 個測量位置按照邊緣方向搜索，直到遇到圖像邊界，將邊界點作為下一幀圖 像相反邊界的中點位置，由此計算下一幀圖像的中心位置，然后通知移動平臺 將顯微鏡的可視區域的中心移動到位置即可。
本發明具有如下優點-
(1) 一體化的傳動機構，精度高、加工簡單、可靠性高；
(2) 專用影像測量儀電氣控制卡，可靠性高、成本低、易維護；
(3) —種全自動的輪廓測繪模塊，極大的提高了全自動影像測量儀在逆向 工程中的效率；
圖1是本發明的整體結構示意圖。
圖2是本發明的電氣控制卡結構示意圖。
圖3是本發明的電氣控制卡具體實施例結構示意圖。
圖4是本發明的全自動輪廓測繪方法的工作流程示意圖。
具體實施例方式
圖2給出了本實施例傳動機構中一體化機架的示意圖，
一體化機架[9]包括兩個腔體絲杠腔體[11]和聯軸器腔體[10]。絲杠腔體 [ll]上面開口較大，保證帶有螺母的絲杠能從上面安裝進去。絲杠腔體絲杠腔 體兩側都有安裝軸承的通孔。聯軸器腔體[10]外側有連接電機的通孔
在裝配時，首先將帶螺母的絲杠到絲杠腔體內，再安裝兩側的軸承；然后將 聯軸器安裝到聯軸器腔體中，且聯軸器的一端套住絲杠的對應端；接著將電機 軸伸入到聯軸器的對應端，并將電機體安裝到聯軸器腔體的外側。本一體化傳動機構結構簡單，精度易于保證。
圖3給出了電氣控制卡具體實施例結構示意圖。本實施例的電氣控制卡采用
DSP+FPGA的架構。
Freescale的DSP56F807是一款專用于電機控制的DSP芯片，具備高速的計 算能力和專用的P麗模塊，可直接產生電機控制信號。DSP的高速計算能力用來 實現運動控制中所需的大量計算工作，P麗模塊極大的簡化了電機控制。
USB通訊采用PHILIPS的PDIUSBD12芯片。DSP通過數據線、地址線與 PDIUSBD12芯片相連，利用該芯片高效地完成送出的信號到USB規范的信號的轉 換，實現與個人計算機相連，傳輸工作過程中的控制命令和狀態數據。
FPGA可采用Xilix的XC3S50芯片。該芯片既能提供高速的邏輯處理能力， 又具備靈活的可編程特性。可以用來讀取光柵尺數據、讀取操作手柄數據、產 生照明控制的P麗信號，以彌補DSP在這方面的劣勢。
全自動輪廓測繪方法中，最關鍵的是需要可靠地獲取圖像中的邊緣，以下為 邊緣提取步驟
① 首先使用高斯濾波對采集的圖像數據進行濾波，高斯濾波公式為
('.2+/)
其中g[i， j]表示位置(i， j)處的濾波器權值，，S為高斯分布參數；
② 采用Sobel算子進行邊緣檢測圖像中的每一點分別與8個Sobel模板做 巻積，將得到的最大值作為輸出，并將對應模板的方向作為該點的方向；
③ 使用高閾值得到Sobel邊緣圖1，使用低閾值得到Sobel邊緣圖2;
④ 使用Canny最佳邊緣檢測算法得到Canny邊緣⑤ Canny邊緣圖與Sobel邊緣圖1逐像素相與，得到初始邊緣⑥ 在初始邊緣圖中尋找每一條邊緣線的端點或孤立點，標記這些點作為修補 邊緣的初始點；
⑦ 采用輪廓跟蹤的思想進行邊緣修補，具體步驟如下
a. 在Sobel邊緣圖1中確定端點或孤立點P的邊緣方向；
b. 確定P點邊緣方向上的點P'坐標；c. 若P'在Sobel邊緣圖2上，則P點為丟失的邊緣點，將初始邊緣圖上的 P修補，且P'置為P，返回a步。若P'點不在Sobel邊緣圖2上，則停止對P 的邊緣修補；
d. 若初始邊緣圖上還有端點或孤立點還未修補，則返回a步。
在獲取邊緣以后，需要根據當前圖像的邊緣數據，控制運動平臺移動到下一 個測量位置。圖4給出了全自動輪廓測繪方法的工作流程。圖中的圓點為用戶 選擇的工作起始點，帶標號的虛線框按順序標識出了影像測量儀自動測繪的區 域。
權利要求
1.一種全自動影像測量儀，由三維移動工作臺[1]、顯微鏡[2]、CCD、照明系統[3]、電氣控制卡[4]、個人計算機[5]組成，其特征在于所述三維移動工作臺[1]的傳動機構采用一體化設計，將電機[6]、聯軸器[7]、絲杠[8]放置在一體化的機架[9]內；所述電氣控制卡[4]是一種影像測量儀專用的電子板卡，集成了運動控制、電機驅動、照明控制、光柵尺讀數、操作手柄支持、與個人計算機通訊等功能；所述的個人計算機[5]具有全自動輪廓測繪模塊。
2. 如權利要求1所述的全自動影像測量儀，所述全自動輪廓測繪模塊包括 零件輪廓提取模塊，所述零件輪廓提取模塊自動提取出零件輪廓，并根據這部 分輪廓的方向自動控制運動平臺沿著輪廓方向運動，然后獲取新的圖像數據， 如此反復，直到獲取了封閉的輪廓。
3. 如權利要求2所述的全自動影像測量儀，所述零件輪廓提取模塊包括 使用高斯濾波對采集的圖像數據進行濾波的模塊；采用Sobd算子進行邊緣檢測 的模塊；使用高閾值得到Sobel邊緣圖1，使用低閾值得到Sobd邊緣圖2的模 塊；用Canny最佳邊緣檢測算法得到Canny邊緣圖的模塊；將Canny邊緣圖與 Sobd邊緣圖l相與、得到初始邊緣圖的模塊；在初始邊緣圖中尋找每一條邊緣 線的端點或孤立點、標記這些點作為修補弱邊緣的初始點的模塊；采用輪廓跟 蹤思想進行邊緣修補的模塊。
全文摘要
本發明為一種全自動影像測量儀。能高效地檢測各種形狀復雜工件的輪廓和表面形狀及尺寸、角度和位置。本發明由三維移動工作臺、顯微鏡、CCD、照明系統、電氣控制卡、個人計算機組成；個人計算機配備圖像采集卡，接收由顯微鏡和CCD所構成光學成像系統的圖像數據，然后利用圖像處理技術，對獲取的圖像數據進行處理，完成對三維移動工作臺上工件的測量。本發明的三維移動工作臺采用一體化的傳動機構，并設計了一種影像測量儀專用電氣控制卡；本發明還提供了一種全自動輪廓測繪模塊，在不需要操作者干預的情況下，自動完成零件輪廓的測繪工作。
文檔編號G01C11/00GK101319874SQ200710110450
公開日2008年12月10日 申請日期2007年6月6日 優先權日2007年6月6日
發明者張寧一, 徐一華, 聰 楊 申請人:北京天準科技有限責任公司